冬奥背景下基于NB-IOT定位功能的滑雪板的研究与设计

杨 阳 路冬方 任俊昌 郝 娟

(1.河北建筑工程学院 信息工程学院，河北 张家口 075000;2.张家口市公安局网络安全保卫支队，河北 张家口 075000)

0 引 言

近年来随着崇礼滑雪运动的兴起，滑雪场事故频出，出现北大研究生林间滑野雪发生意外事故、男童滑出护栏发生事故等多起事件.由于不能及时定位及智能报警，导致当事故发生之后，运动员不能得到及时的救援以及对事故发生的具体时间、滑雪速度、事故原因等信息无法获知的现状.

然而传统定位方案难以满足滑雪场滑雪场景的定位需求,GPS+GPRS定位方案存在成本高、终端续航能力差、定位精度受气候影响的问题；此外，采用GPS+GPRS定位方案，也会因为路况环境(山林隧道)对卫星信号遮挡而影响到定位的精度.基于NB-IoT规范中的定位技术对滑雪设备(例如滑雪板)进行定位追踪，是适用于雪场场景的一种定位方案，虽然NB-IoT定位精度较低，但对于雪场较宽阔的场景来说对精度的要求不是很高，而其低功耗、低成本、很强的信号穿透力、支持海量接入的优势，是雪场场景下可选择的一种理想定位技术.

本文将给出一种设计方案，该方案基于NB-IOT网络进行崇礼滑雪场运动员的追踪定位及事故报警系统进行研究及设计.以滑雪雪板为跟踪定位的设备载体，通过获取相关信息来监测滑雪运动员的相关信息，在雪板上嵌入红外传感器、速度传感器、碰撞传感器以及NB-IOT通信模组来与NB-IOT基站进行通信.

1 NB-IoT定位原理

NB-IoT协议版本3GPP R14支持的定位技术包括TA(Timing Advance)+AOA(Angle of Arrival)和OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)，二者相比，OTDOA定位方式的精度更高，下面将着重对OTDOA技术进行介绍.

OTDOA是根据三个基站与移动终端信号传播的时间差值进行定位的技术.基站使用协议规定的专门的窄带物联网定位参考信号NPRS，专门用于终端对基站位置的测量，原理是通过接入终端测量多个不同基站参考信号到达的时间差并结合基站坐标来确定终端位置，如图1所示.其中需要至少3个基站协作完成定位，又称作三角定位，并且基站越多，测量精度越高.

图1 OTDOA定位原理示意图

图1中假设接入终端和三个基站的坐标分别为(x,y)(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3).则基站1和基站2到终端的时间差ΔT2可表示为：

基站1和基站3到终端的时间差ΔT3可表示为：

这两个时间差值通过NPRS参考信号可以进行测量，而基站的位置坐标数据是固定值，从而我们可以求得(x,y)，从而知道接入终端的二维坐标，进而进行追踪定位.

2 定位精度

基于OTDOA定位技术的NB-IoT网络，目前基于仿真给出的定位精度为50-200 m，下面将结合滑雪场这样的定位场景对影响定位精度的主要因素进行分析.

2.1 定位参考信号(PRS)带宽

定时精度与SINR紧密相关，3GPP要求参考小区不低于-6 dB，邻区不低于-13 dB.进一步SINR又与带宽成正比，相同条件下NPRS带宽越大SINR值也越大.对于180 kHz带宽受限的NB-IoT，增加PRS的连续子帧数(NPRS)或降低PRS的定位周期(TPRS)可以获得目标的SINR值.

2.2 无线环境的频域选择性衰落

对于OTDOA的定位精度，很大程度上受到信道模型的影响，对于广阔平原地区信号的频域衰落或者时域色散较小，定位精度较高，对于城区等复杂环境，定位精度较低.而对于雪场定位，一般雪道遮挡物较少，时域色散较小，定位精度较理想，但是对于曲折穿梭于丛林中的雪道来说，时域色散严重，会降低定位精度.

2.3 基站数据库的基站数据

OTDOA的定位精度受到定位服务器中基站数据库(包括基站的经纬度和站高等)的影响，理想条件下要求站址偏差小于5 m，站高小于80 m.对于冬奥背景下崇礼雪场来说，雪道基本建于海拔较高的山区，海拔高度远远高于理想值，所以对NB-IoT定位精度会产生负面作用.

2.4 协议对窄带定位参考信号(NPRS)的规划

良好的NPRS规划可以避免出现多个小区的NPRS之间的冲突以及混淆，NPRS隔离度很重要的影响着OTDOA的定位精度.3GPP协议R14版本从码域、频域及时域为NPRS信号提供了3层隔离措施，从协议标准上为OTDOA定位提供了先天条件避免冲突和混淆.

3 基于NB-IoT雪板进行运动员定位的系统方案

随着各大运营商NB-IoT网络支持设备铺设及软件的升级已经势不可挡，NB-IoT信号具有覆盖范围广、穿透力强、NB-IoT模块成本低等特点，并且对于便携设备来说能耗低是其无可取代的优势，一个NB-IoT模组的电池寿命远远长于滑雪板寿命.以下将从NB-IoT定位系统网络架构图及该技术方案功能进行详细阐述.

3.1 NB-IoT网络拓扑

图2 NB-IoT终端定位系统网络拓扑图

如图2所示为基于NB-IoT网络OTDOA定位技术的网络架构图，该架构图描述了以滑雪板为设备载体进行运动员定位的技术方案.该方案将滑雪板作为运动员跟踪定位及事故报警的设备终端，在滑雪板上嵌入红外传感器、速度传感器、碰撞传感器以及NB-IOT通信模组来与NB-IOT基站进行通信.在滑雪板嵌入了NB-IOT模组并通过无线网络与基站联网后，滑雪板即为接入到该NB-IOT网络架构中的终端设备，从而多个基站协作采用NB-IOT R14协议中规定的OTDOA技术获取移动中的滑雪板的定位测量值，滑雪板通过NPRS定位参考信号将定位测量结果通过S1或者M1接口传输到EPC核心网以及定位服务器等应用服务器群.定位服务器对接入设备产生的位置信息进行备份和维护等处理，然后将经过处理后的定位信息推送给用户移动客户端APP及后台管理人员进行查看及使用，终端设备管理平台对设备进行管理和监控，实现以雪板为载体的物联设备运行状态、定位数据、采集数据等的统计管理以及事故报警的及时救援.

基于3GPP R14协议版本，NB-IoT基站可与LTE基站共用，在原有的4G基站基础上进行升级即可支持NB-IoT，同样的，LTE EPC核心网只需要进行相应的软件升级后就可以支持窄带物联网，从这个角度来看，我们基于已有的LTE设备进行NB-IoT网络构建具有成本低、兼容性好等独特的优势.

3.2 系统功能

该方案基于NB-IOT网络进行滑雪场运动员的追踪定位及事故报警系统进行研究及设计.基站采用OTDOA定位技术获取滑雪板定位测量值，利用定位服务器数据管理平台可实现的功能包括：

(1)定时查询：选定某个编号的雪板，控制设备(雪板)每隔一定时间回传定位数据.

(2)轨迹回放：雪板的定位数据在定位服务器中保存轨迹记录，可实现选定某一时段进行轨迹回放及查询功能.

(3)运动员相关滑雪数据查看的功能：依据轨迹数据，该功能可以统计某时段内运动员滑雪里程数、运动时间、停留时间等，查看轨迹点的当前时间、当前速度等信息.

(4)电子围栏：限制雪板进入或离开某特定区域，否则雪板会自动发送报警状态信息.

(5)事故报警功能：当发生事故时，雪板具有自动报警故能，此外运动员可使用雪板的手动报警功能，以确保报警信息的发送.后台可显示任意设备的报警信息，在设备编号中选择设备，选中任意一条报警信息，点击警报定位，可以查看发生该报警时所在的位置并进行及时救援.

4 结 语

本文针对滑雪场运动员的追踪定位和事故及时救援问题，给出一种以滑雪板为设备载体基于NB-IOT协议进行运动员定位的设计方案，该定位具有成本低、功耗低等优点，适合用于定位精度要求较低的、范围有限的山地运动员室外定位，具有实用性及可行性.